水工建筑物课程设计版本

'目录前言11.1水闸等级划分11.2工程任务11.3基本资料21.4设计内容42.闸室布置42.1闸型选择42.2闸室基本尺寸的确定52.3泄流能力校核103.消能防冲设计123.1消力池深度计算123.2消力池长度的计算：163.3护坦构造163.4海漫的长度和型式173.5防冲槽设计184.防渗设计184.1选择地下轮廓线长度184.2渗透压力计算205.闸室抗滑稳定分析205.1荷载及其组合205.2地基应力计算245.3闸室稳定验算25实习心得2728 前言1.1水闸等级划分平原区水闸枢纽工程分等指标工程等别ⅠⅡⅢⅣⅤ规模大（1）型大（2）型中型小（1）型小（2）型过闸流量≥50005000～10001000～100100～20<20防护对象的重要性特别重要重要中等一般——灌排渠系建筑物分级指标工程级别12345过水流量≥300300～100100～2020～5≤51.2工程任务本枢纽位于某河下游，主要任务是壅高水位，以满足河流两岸引水灌溉要求，并适当照顾到工业给水、陆路交通等。枢纽由泄洪闸、灌区进水闸等组成。枢纽建成后可灌溉农田5.5万亩。要求闸顶公路净宽4.5m（图1）28 图1枢纽平面布置图1—泄洪闸；2—进水闸；3—闸上公路1.3基本资料1、上下游河道底宽60米，边坡1:2和1：2.5。泄洪闸设计过闸流量为，相应上游水位为▽17.0米，下游水位▽12.0米。校核流量为，相应上游水位为▽18.5米。下游水位▽12.5米，此水闸（泄洪闸）为II等1级建筑物。2、河道上游正常蓄水位为▽2.7米，最高蓄水位为▽8.5米，下游水位▽1.0米。取水闸下游河道水位流量关系如表1：表128 水位（米）3.203.704.104.454.805.105.355.60流量（）1020304050607080水位（米）5.806.006.106.206.256.306.336.40流量（）901001101201301401501703、取水闸上下游底高程▽10.0米，闸底板高程与河底齐平。4、闸址处地形平缓，堤顶高程在19.4米左右。5、闸址持力层为中细砂夹粉土，地基承载力为6、闸址附近多年平均最大风速为沿水面从水闸上游面到对岸的最大垂直距离为2Km。7、地基情况闸底板位于砂壤土，其力学指标较好。其各项指标如下：抗剪强度指标：φ水下=25。;φ水上=30。地基承载能力：p=165Mpa渗径系数（勃萊系数）：c=9.0密度：r干=15KN/m3;r湿=18.5KN/m3;r浮=10KN/m3;r饱=20KN/m3土壤凝聚力：c水上=10KN/m2;c水下=5KN/m2D.地基允许不均匀系数：[η]=2.6~3.0E.抗滑稳定安全系数：[k]设计=1.30；[k]校核=1.10F.建筑物与地基的摩擦系数：f=0.4~0.5G.建筑材料：该地区为冲积平原，砂、石需从外地运输；H.该水闸有交通要求，该区地震烈度为7度，要求按照7度设防;28 I.本地区有交通要求，交通桥宽度一般为4~5m；不考虑地震要求。8、闸顶公路桥汽车荷载为汽车—10级，行车路面净宽4.5m，两侧各加0.75m宽的人行道。9、工作闸门可用钢或钢筋混凝土平面闸门，检修闸门可选用叠梁门。启闭机用螺杆式或卷扬式固定启闭机。1.4设计内容（一）闸址选择（二）水闸总体布置1.主要建筑物的形式选择及尺寸拟定；2.闸孔设计；3.水闸消能防冲设计；4.水闸防渗设计；（三）闸室稳定计算（四）两岸连接建筑物尺寸拟定2.闸室布置2.1闸型选择28 根据流量大小、上下游水位，地形地质等因素，本设计闸底板采用开敞式平底板。2.2闸室基本尺寸的确定1.闸底板高程与河床齐平▽10.0米；2.闸底板顺水流方向长度L=4.0m；底板顺水流方向的长度应根据闸室地基条件和上部结构布置要求，以满足闸室整体稳定和地基允许承载力为原则来分析确定。初拟时可参考以建工程的经验数据选定，当地基为碎石土和砾（卵）石时，底板长度可取（1.5～2.5）H（H为水闸上、下游最大水位差）;砂土和砂壤土则取（2.0～3.5）H；粉质壤土和壤土可取（2.0～4.0）H；粘土取（2.5～4.5）H。本设计的闸基土质为中细砂夹粉土，所以闸底板顺水流方向的长度取（2.0～4.0）H，最终定为L=12m。3.闸底板厚度d=2.0m；底板厚必须满足强度和刚度的要求，通常采用等厚度的，也可采用变厚度的（后者在坚实地基情况下有利于改善底板的受力条件），应根据闸室地基条件、作用荷载及闸孔净宽等因素，经计算并结合构造要求确定。大中型水闸平底板厚度可取闸孔净宽的，一般为1.0～2.0m，最薄不小于0.7m。取闸底板厚度d=1.0m；4.闸门的选择：28 闸门的结构选型应根据其受力情况、控制运用要求、制作、运输、安装、维修条件等，结合闸室结构布置等合理选定。当永久缝设置在闸室底板上时，宜采用平面闸门。露顶式闸门顶部在可能出现的最高挡水位以上有0.3～0.5m的超高。由基本资料可知，可能出现的最高水位为▽8.5m，则闸门的高度取2.5m5.闸墩（1）闸墩顶部高程闸墩顶部高程一般是指闸室胸墙或闸门挡水线上游闸墩和岸墙的顶部高程，应满足挡水和泄水两种运用情况的要求。挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应的安全超高值之和；泄水时，不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。水闸安全超高下限值见下表：水闸安全超高下限值（单位：米）运用情况水闸级别1234/5挡水时正常蓄水位最高挡水位0.70.50.50.40.40.30.30.2泄水时设计洪水位校核洪水位1.51.01.00.70.70.50.50.4闸墩顶部高程计算：波浪计算高度式中——当=20～250时，为累计频率5%波高的波高，当时，为累计频率10%的波高；28 由资料可知：闸址附近多年平均风速为，有效吹程为2Km，则：挡水时闸墩顶部高程为：正常蓄水位+波浪计算高度+安全超高=2.7+0.58+0.4=3.68m最高蓄水位+波浪计算高度+安全超高=8.5+0.58+0.3=9.38m泄水时闸墩顶部高程为：设计洪水位+安全超高=7.0+0.7=7.7m校核洪水位+安全超高=8.5+0.5=9.0m所以闸墩的顶部高程为▽2.7m。（2）墩头型式闸墩的结构型式应根据闸室结构抗滑稳定性和闸墩纵向要求确定，一般采用实体式，常用混凝土、少筋混凝土或浆砌石。闸墩的外形轮廓设计应满足过闸水流平顺、侧向收缩小、过流能力大的要求。上游墩头采用半圆形，以减小水流的进口损失；下游墩头宜采用流线型，以利于水流的扩散。（3）闸墩长度和厚度28 闸墩的长度取决于上部结构布置和闸门的形式，一般与底板等长或稍短于底板。闸墩上下游面为铅直面。闸墩的厚度应满足稳定和强度要求，根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求、闸门型式和施工方法等确定。根据经验，取闸墩厚度为1.0m，混凝土材料。（3）闸门槽尺寸平板闸门槽的尺寸取决于闸门尺寸和支撑型式。工作闸门槽一般不小于0.3m，宽0.5～1.0m，最优宽深比宜取1.6～1.8，这里取槽深0.2m，槽宽0.2m；检修门槽一般为0.15～0.25，宽0.15～0.30m，这里取槽深0.2m，槽宽0.2m。为了满足闸门安装与维修的要求，方便启闭机的布置和运行，检修闸门槽与工作闸门槽之间的净距不宜小于1.5m，这里取2.0m。（4）工作桥底部高程为了安装启闭设备和便于工作人员的需要，通常在闸墩上设置工作桥。工作桥的高程与闸门和启闭设备的型式、闸门高度有关，一般应使闸门开启后，门底高于上游最高水位，以免阻碍过闸水流。对于这次设计的平面直升门，采用固定式卷扬机启闭设备，桥的高度（即横梁底部高程与底板高程的差值）为闸门高的两倍加上1.0～1.5m的富余高度，闸门的高度为2.5m，则工作桥底部高程为▽18.5m。工作桥的路面净宽取为2.7m。（5）交通桥交通桥的底部高程与堤顶高程齐平，即为▽18.5m；交通桥路面宽度为2.7m。6.边墩和岸墙28 边墩是闸室靠近两岸的闸墩，而岸墙则是设在边墩后面的一种挡土结构。其布置型式与闸室结构情况及地基条件等因素有关，通常有一下三种：（1）边墩与岸墙结合；（2）边墩与岸墙分开；(3)护坡连接型式。这里取第一种边墩与岸墙结合的布置型式,具体结构见下图:7.两岸连接建筑物：（1）布置型式：水闸两端与河岸或堤、坝等建筑物的连接处，需设置连接建筑物，它们包括上下游翼墙，边墩或岸墙、刺墙和导流墙等。本设计上游采用反翼墙，下游采用扭面翼墙转角处的半径为3米。(2)结构选型：两岸连接建筑物的受力状态和结构型式与一般挡土墙基本相同，常用的结构型式有重力式、悬臂式、扶臂式、和空箱式等。因为本设计中的闸墩顶部高程为▽18.5m，闸底板高程为▽10.0m，即翼墙的高度为8.5m，选用重力式挡土墙，混凝土材料。图2闸室剖面图——检修桥重420KN——工作桥及小闸墩重60KN——公路桥重540KN——闸门重180KN——启闭机重90KN28 2.3泄流能力校核2.3.1估算闸孔宽度、泄洪闸的闸孔尺寸，先按设计过闸流量确定，同时要满足校核流量的要求。水闸过流时为宽顶堰式，首先应判别其流态是属于淹没出流或者是自由出流。判别方法是：当时，为淹没出流；当时，为自由出流；28 过闸流量公式为：Q=…………………(1)式中：——淹没系数，可按的大小由表查得；——侧向收缩系数，初算时可取0.9；——流量系数，初算时可暂选用0.365；——过水断面净宽，待求；——堰上总水头。①计算行进流速：河床的过水断面如下图所示:28 则：②判别流态：,为淹没出流；查表得2.3.1估算闸孔尺寸由公式得①则取n=3b=7.0m2.3.2验算设计水位的过流能力：在（1）范围之内且小于校核流量，所以闸孔净宽符合要求。3.消能防冲设计由于水闸水头较低，河床又是土基，故采用底流式消能。因此消能防冲的任务是确定消力池深度、长度、护坦厚度、海曼长度、防冲槽尺寸等。3.1消力池深度计算3.1.1消能计算的控制情况28 根据本闸规划要求，虽然过闸流量和校核流量恒大，但此时全部闸门均开启，上下游水位差很小，且下游水深较大，故将产生淹没式水跃，不是消能计算的控制情况。而当上游为河道正常蓄水位▽6.0m时，部分闸门局部开启，此时流量虽小，但下游水位较低，因此会出现消能计算的控制情况。为此，应先拟定闸门开启孔口数及闸门局部开启时的泄流量Q，然后由水力计算求得跃后水深，与下游水深比较，判别水跃型式，选取最不利的情况作为消能计算的控制情况。3.1.2闸门局部开启时，开启度e与泄流量Q的关系：因闸下出流为淹没出流时，闸后发生淹没水跃，对消能计算不起控制作用，故闸门局部开启时应按闸下自由出流公式计算：式中：——流速系数，可取1.0；——平板闸门垂直收缩系数；=,为相对开启度，可查表得；e——闸门开启度；——开启闸门孔数；——闸前水头；——闸前总水头。一般若选用固定卷扬式启闭机，单孔闸门开启高度不得超过一米，如需继续加大流量，必须开启多孔。在计算单孔闸门开启时，开启度e与泄流量Q的关系，为安全起见最大开启度计算到1.5m，计算成果如下表：28 开启孔数（n）开启度e（m）泄流量Q()计算选用流量10.50.10.6150.30754.692512.6912.7110.20.620.624.3823.9324.011.50.30.6250.93754.062533.6333.63.1.3控制消能计算条件根据单孔闸门局部开启，泄流量、、时，计算跃后水深，与其相应的下游水深进行比较，选取（）最大值的情况作为消力池的计算条件。在选用下游水深时，为安全起见，可选用上一次闸门开度时与下泄流量相应的下游水位。计算跃后水深时，按照《水力学》中的矩形槽水跃公式计算。（）式中——动能修正系数，取1.0计算成果列如下表：开启孔数水跃型式112.72.00.740.30751.481.00.48远驱式式式水跃124.03.71.110.621.81.00.8远驱式水跃133.65.21.400.93752.01.01.0远驱式水跃28 3.1.4计算消力池深：(1)估算池深S=0.15×2-1=0.3m(2)计算建池后的根据试算，设，代入算得>重设，试算结果入下表：1.001.21.51.61.71.651.001.442.252.562.892.7213.38/13.389.295.955.234.634.9213.3810.497.456.836.336.57试算结果说明，当时，取。（3）计算△Z△Z=(4)计算28 在1.05～1.10范围内，所以池深满足要求，为方便施工，池深取3.2消力池长度的计算：闸室与消力池之间用一个1:3的斜坡连接。消力池水平段的长度由最大泄流量下的水跃长度控制。池长取池长3.3护坦构造由于消力池内水流高度紊流状态，脉动压力情况复杂，目前尚且无精确的方法计算，初步计算按下列经验公式计算护坦厚度：（米）——单孔开启1.5米时相应的单宽流量;—与相应的上下游水位差。按冲刷要求，非基岩护坦取消力池底板厚度消力池纵断面示意图如下：28 护坦底板采用钢筋混凝土，底板上设有排水孔，孔径20cm，间距2m，呈梅花型排列。护坦在平行水流方向设有沉降缝，缝的位置与闸墩对齐。护坦底部设反滤层。（碎石20cm、砂10cm、细砂10cm）3.4海漫的长度和型式海漫的长度可按下列经验公式计算：（米）式中——海漫起点处的单宽流量，取单孔闸门开启1.5米时相应的单宽流量。△H——与相应的上下游水位差。——海漫长度计算系数取，则海漫纵断面示意图如下：由于水流速度沿海漫全长逐渐减小，故将海漫分成两段。紧接消力池的一段呈水平状，后面呈斜坡状，坡度1:10。海漫所用的材料，水平段采用浆砌石材料，余下的采用干砌石结构。块石直径大于30cm，厚度为60cm。海漫段设计排水孔，下设反滤层。28 3.5防冲槽设计已建成工程多将防冲槽开挖成宽浅式的梯形断面，槽深一般取1.5～２.5m，宽度b取2～3倍的槽深，防冲槽上下游边坡m按河床上土质的安全坡度确定，一般取1：（2～4），两侧边坡坡度可与两岸河坡相同。本次设计上游坡度=2，下游坡度=3，底宽槽深为。纵断面图如下：防冲槽纵断面图4.防渗设计4.1选择地下轮廓线长度4.1.1计算轮廓线的最小长度。布置地下轮廓线，即：确定上游铺盖长度，闸底板下轮廓型式，板状的深度等。式中——闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段的总和，m；——允许渗径系数值，见表4-10；——上下游水位差，m。28 4.1.2布置地下轮廓线（1）上游铺盖铺盖应有可靠的不透水性及一定的柔性，以适应地基变形，保证防渗作用。铺盖长度可根据闸基的防渗需要确定，一般取上下游最大水位差的3～５倍，这里取14m厚度为0.6m。纵断面图如下：（2）闸底板长度为12m，厚度为1m，采用钢筋混凝土结构。底板上下游设齿墙，高度为0.5m。（3板桩的长度为3.5m因为闸基处的土质为中细砂夹粉土，故由表4-10可知C=8，所以闸基防渗长度满足防渗要求地下轮廓线布置示意图如下:28 地下轮廓线布置图表4-10允许渗径系数值C排水条件地基类别粉砂细砂中砂粗砂中砾细砾粗砾夹卵石轻粉质砂壤土轻砂壤土壤土粘土有滤层13～９９～７７～５５～４４～３３～２.511～79～55～33～2无滤层＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿7～44～34.2渗透压力计算用直线比例法计算闸底板下的渗透压力5.闸室抗滑稳定分析5.1荷载及其组合取中间一个独立的闸室单元进行分析，闸室结构布置见设计图纸。1.荷载28 （1）完建期的荷载。完建期的荷载主要包括闸底板重力G1、闸墩重力G2、闸门重力G3、工作桥重力和启闭机设备重力G4、公路桥重力G5和检修桥重力G6。取混凝土、钢筋混凝土的容重为25KN/m3。①底板重力为G1=27.2×2×31.2×24＋1/2（3+1.5）×2×31.2×24×2=47474KN②闸墩重力：每个闸墩重G2=1/2×3.14×0.82×9.78×24×2＋（9.2-0.8）×1.6×9.78×24-2×2×0.2×9.78×24-2×0.3×0.6×9.78×24＋3×0.5×9.78×24+14×1.6×9.78×24＋3×0.77×0.82×24＋0.82×（9.2－0.8）×24=10458.9KN每个闸室单元有两个闸墩，则G2=G2"×2=10458.9×2=20917.8KN③闸门重力G3G3=230×2=460KN④工作桥及启闭机设备重力工作桥重力G4’=2×0.92×0.35×30.4×25＋1/2×（0.08＋0.12）×0.9×30.4×2×25＋0.15×0.12×30.4×2×25＋0.06×1.3×30.4×25=489.44＋136.8＋27.36＋59.28=702.4KN考虑到栏杆及横梁重力等取G5′=750KN⑤QP-40启闭机机身重32.1KN，考虑到机架混凝土及电机重，每台启闭机重40KN，启闭机重力：G5〞=2×40=80KNG5=G5′＋G5〞=830KN⑦公路桥重力：公路桥每米重约80KN，考虑到栏杆重，则公路桥重为G6=80×31.2＋50=2546KN28 ⑧检修便桥重力G7=250KN完建情况下作用荷载和力矩计算见水闸稳定计算表完建情况下作用荷载和力矩计算表（对底板上游端B点求矩）部位重力（KN）力臂（m）力矩↘↙底板4747413.6.4闸墩（1）471.60.4188.64（2）625.310.465031.2（3）2788.410.729835.28（4）1086.218.6（5）471.626.812638.88闸门46010.74922工作桥75010.78025启闭机8010.7856公路桥25461845828检修便桥2502.9725合计72477.8.6（2）校核洪水情况下的荷载。在校核洪水位情况时的荷载与设计洪水位情况下相似，所不同的是浪压力、水压力、扬压力。①闸室内水的重力W1=9.08×8.903×28×9.81＋8.9×10.097×28×9.81=66445.8KN28 ②水平水压力P1=1/2×9.282×9.81×31.2=13179.2KN（→）P2=1/2×（7.73×9.81＋9.05×9.81）×3.8×31.2=9758.2KN（→）P3=1/2×102×9.81×31.2=15303.6KN（←）P4=1/2×（10＋12.9）×9.81×2.9×31.2=10163.1KN（→）浮托力F=10.9×9.81×27.2×31.2＋2×1/2×（3＋1.5）×2×9.81×31.2=93498.9KN（↑）渗透压力U=0.3×9.81×27.2×31.2＋1/2×2×（3＋1.5）×9.81×31.2=95739KN（↑）校核洪水位情况下的荷载和力矩计算见图3、表3校核洪水位下荷载、力矩计算表校核洪水位下荷载、力矩计算表（对B点求矩）荷载名称竖向力（KN）水平力（KN）力臂（m）力矩（kn·m）备注↓↑→←↘↙闸室结构重力72477.85.1.6上游水压力13179.23.0940723.79758.21.918540.6下游水压力15303.63.335096110163.11.4514736.5浮托力93498.913.6渗透压力2497.513.63396.67076.49.0764182.9水重力22204.94.55.344240.917.85.1合计.6.822937.425466.7.2.428 35850.8（↓）2529.3（→）.8（↘）5.2地基应力计算（1）完建期闸室基底压力计算由表1可知，ΣG=72477.8KN，ΣM=.6KN·m，另外，B=27.2m，A=27.2×31.2=848.64m2,则地基承载力验算P=85.4KN/m2<[K]地基承载力满足要求。不均匀系数为闸室基底应力最大值与最小值之比应小于允许值。η=Pmax/Pmin=-3.29<[η]=2.5满足要求（2）校核洪水位情况。闸室基底压力计算。由表可知，ΣG=35850.8kN，ΣM=KN·m，ΣH=2529.3KN，则地基承载力验算P=1/2[138.97+（-54.48）]=84.49kpa<[k]地基承载力满足要求28 不均匀系数为闸室基底应力最大值与最小值之比应小于允许值。η=Pmax/Pmin=138.97/-54.486=-2.55<[η]=3不均匀系数亦满足要求。5.3闸室稳定验算.............(5-3-1)（1）正常情况闸室抗滑稳定闸室抗滑稳定所以闸室抗滑稳定满足要求。（2）校核情况闸室抗滑稳定闸室抗滑稳定：所以闸室抗滑稳定满足要求。28 1、工作桥及排架的设计参见灌区水工建筑物丛书；《水闸》第五章第五节。2、交通桥的设计参见课本第八章第四节《桥梁》；3、目前使用的《水工建筑物》教科书；4、灌区水工建筑物丛书《水闸》，我校书号;5、灌区水工建筑物丛书《闸门与启闭机》，我校书号6、水力学教科书；7、谈松溪《水闸设计》。书号28 实习心得通过四天的认识实习让我对我们的专业有了深入了解,明确了未来工作的方向和工作任务。这样在我以后的学习中更容易抓住重点,学好专业知识。,我们可以看到一个水利工程所带来的经济效益和生态效益。我们在实习的时候感受了云溪的美好风光,还有龙潭水库、青山水库对人们供水之数据。更重要的是众多的水利工程保护着关中人民免受洪灾之苦,这一切都是水利工程的建设目的。虽然我们这次实习见到的工程主要是起调洪灌溉和发电的作用。但做为我们水利水电工程的学生都知道水电站才是水利工程中的重中之重,水电做为一种绿色能源、无污染、不耗能,是国家大力发展的一个项目。经过老师的介绍,我们还认识做一项水利工程所产生的影响力。水利工程需要投资巨大的财力和物力,整个水利工程不仅是一个地方的水库而是国家的工程。因此做每项工程都必须收集尽可能多的水文、地质、气象等资料,经过严密的科学论证,推断施工当中可能遇到的一切可能的难题最后再结合当时的国力人力,及技术水平,综合一切,最后得出这个工程是该建还是不该建。这样才能做出造福人类的好工程。28 所谓实践是检验真理的唯一标准，通过旁观，使我近距离的观察了大坝和水库的建造和维修过程，分析了大坝的基本结构，学到了很多很实用的具体的施工知识，这些知识往往是我在学校很少接触，很少注意的，但有是十分重要的基础的知识，我认为认识实习，是在我们完成部分专业基础课的基础上进行的，它不在意我对专业知识得到的多少，是以了解建筑施工的环境，建筑结构以及工程的运作为主的实践性教学环节，是我们了解本专业的一次认识活动，是进一步学习专业基础课和专业课的基础。所以说，本次认识实习，我感觉我们真的完成的很好。总的来说，我们的这次认识实习是有意义的，让我们开始越来越关心自己的将来，初步明确了本专业将来要涉及的方面和自己未来的努力方向。这样的实习正是我们所希望要的。我今后的学习中以至于今后的工作中都将不断的得到验证，我会不断的理解和体会实习中所得到的知识，在未来的学习和工作中，利用学习的只是和今后学到的经验，充分展示自我的个人价值和人生价值，为实现自我的理想和光明的前程努力，为水利事业做出一点自己的贡献。28'